現(xiàn)代氣象科學(xué)的引領(lǐng)者

蘇凱米

現(xiàn)代氣象科學(xué)的奠基

天氣與我們的日常生活息息相關(guān)，一直以來，人類就希望掌握天氣變化的規(guī)律，預(yù)測未來的天氣趨勢。但是，天氣太變幻無常了，在科學(xué)技術(shù)欠發(fā)達(dá)的時(shí)代，氣象學(xué)家大多依靠經(jīng)驗(yàn)、猜測甚至通過巫術(shù)、占卜來分析天氣，即使氣象學(xué)家能夠成功預(yù)報(bào)出天氣的變化，但誰也說不清楚，這樣的預(yù)報(bào)究竟有多大的運(yùn)氣成分。

直到20世紀(jì)的前五十年，隨著科學(xué)理論的發(fā)展以及氣象儀器的進(jìn)步，傳統(tǒng)氣象學(xué)才徹底轉(zhuǎn)變了面貌。這種轉(zhuǎn)變由氣象學(xué)發(fā)展史上兩個(gè)著名的學(xué)派——挪威氣象學(xué)派和美國芝加哥氣象學(xué)派共同完成。

1903年，挪威氣象學(xué)派率先提出了“天氣預(yù)報(bào)是描述大氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程組的解”的觀點(diǎn)，標(biāo)志著人類正式將物理和數(shù)學(xué)引入氣象學(xué)研究。按照物理和數(shù)學(xué)的方式，挪威氣象學(xué)家威廉·皮葉克尼斯和學(xué)生們發(fā)表了關(guān)于氣團(tuán)、鋒面、氣旋的一系列理論，使挪威學(xué)派名揚(yáng)天下。40年后，美國的芝加哥氣象學(xué)派也開始興起，該學(xué)派創(chuàng)立了大氣長波理論，加強(qiáng)了氣象學(xué)與熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的聯(lián)系，進(jìn)一步充實(shí)了天氣分析和預(yù)報(bào)的物理學(xué)基礎(chǔ)。1950年，芝加哥學(xué)派的氣象學(xué)家與計(jì)算機(jī)科學(xué)家馮·諾依曼合作，使用剛剛誕生的電子計(jì)算機(jī)首次成功進(jìn)行了“數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”，這標(biāo)志著氣象學(xué)終于發(fā)展成為純客觀的、可以精確定量研究的現(xiàn)代科學(xué)。

在氣象學(xué)發(fā)展史上的這段最重要的時(shí)間里，卡爾·古斯塔夫·羅斯貝無疑是眾多氣象科學(xué)家中最耀眼的一位，他是唯一一位在氣象學(xué)兩大學(xué)派中都有涉足的傳奇式人物，他既是挪威學(xué)派的重要成員，也是美國芝加哥學(xué)派的創(chuàng)建者。在數(shù)十年的職業(yè)生涯里，無論走到哪里，羅斯貝一直處于氣相學(xué)研究前沿的中心位置，凡是他工作過的地方，氣象學(xué)的研究都被顯著地推進(jìn)。國際大氣科學(xué)界的最高榮譽(yù)——羅斯貝獎(jiǎng)就是以他的名字命名的。

1956年，羅斯貝作為封面人物登上美國《時(shí)代》周刊，《時(shí)代》文章對(duì)羅斯貝的學(xué)術(shù)地位做出了中肯評(píng)價(jià)：“毫無疑問，氣象學(xué)的發(fā)展與羅斯貝的事業(yè)是緊密相連的，現(xiàn)代氣象學(xué)的大部分引領(lǐng)者都是羅斯貝的朋友或?qū)W生，他對(duì)氣象學(xué)的貢獻(xiàn)無人能及”。

初識(shí)氣象學(xué)

羅斯貝于1898年生于瑞典首都斯德哥爾摩，從小就很聰明，求知欲很強(qiáng)。20歲的時(shí)候，羅斯貝在斯德哥爾摩大學(xué)修完了數(shù)學(xué)、天文學(xué)和力學(xué)的課程，拿到了學(xué)士學(xué)位。1918年冬天，皮葉克尼斯應(yīng)邀來到斯德哥爾摩大學(xué)做一次關(guān)于大氣運(yùn)動(dòng)問題的講座，由于當(dāng)時(shí)的挪威氣象學(xué)派已經(jīng)非常有名，羅斯貝便去參加了旁聽，結(jié)果，他被氣象學(xué)深深地吸引了，決定申請做皮葉克尼斯的研究助理。

1919年，羅斯貝加入了挪威學(xué)派的團(tuán)隊(duì)，他來到卑爾根（挪威城市）氣象學(xué)校學(xué)習(xí)氣象學(xué)。在很短的時(shí)間內(nèi)，羅斯貝就成為了挪威學(xué)派的重要成員，他掌握了動(dòng)力氣象和天氣預(yù)報(bào)的核心知識(shí)，親歷了關(guān)于鋒面、氣團(tuán)的激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，并常常能夠提出一些具有建設(shè)性的意見。比如，皮葉克尼斯常常要和學(xué)生們討論“極鋒理論”，這個(gè)理論將冷熱空氣交匯的地方稱為“鋒面”，鋒面處的大氣累積著巨大的能量，正等待著機(jī)會(huì)釋放。如果鋒面受到了擾動(dòng)（比如，鋒面經(jīng)過了山峰就會(huì)扭曲、旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生氣旋并帶來風(fēng)暴），就會(huì)出現(xiàn)劇烈的天氣現(xiàn)象。所以在預(yù)測天氣時(shí)，氣象學(xué)家需要在天氣圖上畫出“冷鋒”和“暖鋒”并判斷鋒面，羅斯貝首次提出，用藍(lán)色標(biāo)注“冷鋒”，用紅色標(biāo)注“暖鋒”，這種簡潔而美觀的標(biāo)注方式沿用至今。

在卑爾根的日子里，羅斯貝徹底愛上了氣象學(xué)，他感覺到，想要有所建樹，自己還需要繼續(xù)補(bǔ)充數(shù)學(xué)、物理知識(shí)，于是，1921年，羅斯貝返回斯德哥爾摩大學(xué)繼續(xù)深造，4年后獲得碩士學(xué)位。至此，羅斯貝的求學(xué)階段就算結(jié)束了。不過，羅斯貝真正靠的并不只是學(xué)校教育，還有他的天馬行空和富于創(chuàng)新的頭腦。1926年，這個(gè)年輕人前往美國氣象局工作，學(xué)術(shù)生涯開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

揚(yáng)名美國

作為挪威學(xué)派的一員，羅斯貝美國之行的初衷是將挪威學(xué)派的“極鋒理論”應(yīng)用于美國天氣預(yù)報(bào)。但當(dāng)時(shí)，美國氣象局的官僚主義根深蒂固，老派的局長和其他高層人員對(duì)羅斯貝的才華不感興趣，他們認(rèn)為，羅斯貝的新理論挑戰(zhàn)了領(lǐng)導(dǎo)的權(quán)威。

由于與上司發(fā)生沖突，1927年，羅斯貝被美國氣象局開除。面對(duì)打擊和逆境，羅斯貝并沒有退縮，他仍然立志要在美國推廣和發(fā)展新的天氣預(yù)報(bào)理論。幸運(yùn)的是，美國航空基金會(huì)聘用了羅斯貝，請他為美國第一條民航航線（“舊金山——洛杉磯”航線）建立規(guī)范的氣象服務(wù)系統(tǒng)。在這件事上，羅斯貝傾注了全部的精力和熱情，出色地完成了任務(wù)。他所打造的航空氣象服務(wù)系統(tǒng)很快被推廣到全美國。

羅斯貝漸漸在美國氣象學(xué)界建立了聲譽(yù)。1928年，麻省理工學(xué)院邀請羅斯貝擔(dān)任氣象學(xué)副教授。在這里，他開創(chuàng)了美國大學(xué)中第一個(gè)完整的氣象系。就像皮葉克尼斯在卑爾根廣收人才一樣，羅斯貝所打造的氣象系，也漸漸因其資金雄厚、科學(xué)討論之風(fēng)興盛，從全球吸引到最有影響力的學(xué)者前來任教，這些人為美國成長為世界氣象科學(xué)的中心奠定了人才基礎(chǔ)。

在麻省理工學(xué)院，羅斯貝保持了挪威學(xué)派中重視物理和數(shù)學(xué)理論的好傳統(tǒng)，并在實(shí)踐中革新天氣預(yù)報(bào)。此前，天氣預(yù)報(bào)都是根據(jù)復(fù)雜的地面氣象要素來制作的。羅斯貝試圖擺脫這種現(xiàn)狀，他開創(chuàng)性地嘗試根據(jù)數(shù)千米高空的高度氣象場來進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)。1936年，一項(xiàng)新的技術(shù)——?dú)馇驍y帶的無線電探空儀開始使用。羅斯貝便利用這種儀器測量從地面到12千米高空的大氣溫度、氣壓和濕度。正是基于這些數(shù)據(jù)，羅斯貝才敏銳地意識(shí)到，環(huán)繞地球高緯度的高空氣流中存在一種高空風(fēng)，它的流動(dòng)方向通常是自西向東的，但呈現(xiàn)出蜿蜒曲折的路徑。這種大尺度氣流波動(dòng)能夠把熱帶地區(qū)的暖空氣帶到北方，同時(shí)把北極地區(qū)的冷空氣送至南邊。羅斯貝稱這種波動(dòng)為行星波。行星波的發(fā)現(xiàn)是羅斯貝最重要的科學(xué)貢獻(xiàn)，行星波現(xiàn)在也被稱為“羅斯貝波”。

桃李滿天下

1939年，羅斯貝應(yīng)邀再次來到美國氣象局任職。這時(shí)，二戰(zhàn)的陰云已經(jīng)籠罩世界，美國被卷入二戰(zhàn)的可能性與日俱增。羅斯貝敏感地意識(shí)到，這場戰(zhàn)爭將爆發(fā)激烈的空戰(zhàn)，大規(guī)模殺傷性武器有可能被使用，這一切都需要準(zhǔn)確的戰(zhàn)地天氣預(yù)報(bào)。于是，羅斯貝依靠雄辯的口才說服了軍方高層，使許多大學(xué)開始前瞻性地培養(yǎng)軍方所需要的戰(zhàn)時(shí)天氣預(yù)報(bào)員，包括麻省理工學(xué)院、紐約大學(xué)、芝加哥大學(xué)、加州理工學(xué)院在內(nèi)的眾多頂尖大學(xué)。很快，數(shù)以千計(jì)的軍方預(yù)報(bào)員開始涌現(xiàn)，正是依靠他們的準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，敦刻爾克撤退和諾曼底登陸才得以成功。

不過，羅斯貝不太喜歡擔(dān)任政府官員。1941年，他又一次離開氣象局，前往芝加哥大學(xué)擔(dān)任新組建的氣象學(xué)系的系主任。二戰(zhàn)結(jié)束后，芝加哥大學(xué)氣象系在羅斯貝的領(lǐng)導(dǎo)下迎來了春天，一個(gè)接一個(gè)突破性的進(jìn)展涌現(xiàn)出來。比如，羅斯貝完善了關(guān)于“羅斯貝波”的理論，他使用數(shù)學(xué)近似，同時(shí)忽略大氣內(nèi)部摩擦、水汽垂直運(yùn)動(dòng)等物理過程，提出了著名的描述了“羅斯貝波”的相速度（波動(dòng)特有的一種物理量）與平均氣流速度之間的關(guān)系的方程。如今，羅斯貝的波動(dòng)理論的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地球大氣和海洋的研究范圍，也被廣泛運(yùn)用于行星和太陽大氣、磁流體和普通流體的研究。

又比如，芝加哥學(xué)派發(fā)明了在現(xiàn)代氣象學(xué)界廣泛使用的模擬實(shí)驗(yàn)形式，即著名的“轉(zhuǎn)盤”實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，羅斯貝鼓勵(lì)學(xué)生用一個(gè)半球狀的裝置去模擬“湍流”混合的過程，學(xué)生就往一個(gè)很大的圓盤里注滿水，用冰塊降溫圓盤中心，并加熱圓盤邊緣，通過很小心地控制轉(zhuǎn)盤速度，就可以模擬大氣環(huán)流。另外，羅斯貝和學(xué)生還首次定義了“急流”（高層西風(fēng)帶中一支高速的氣流）的概念。

羅斯貝在芝加哥大學(xué)任教的時(shí)間只有不到7年，但氣象學(xué)界普遍認(rèn)為是他創(chuàng)建了芝加哥氣象學(xué)派。因?yàn)樵谶@短短的時(shí)間里，羅斯貝培養(yǎng)出許多精英學(xué)生，共同發(fā)展了現(xiàn)代氣象科學(xué)。

1957年8月19日，羅斯貝在辦公室因突發(fā)心臟病，這位偉大的氣象學(xué)家在58歲的年紀(jì)，早早地走完了輝煌的一生。